… A la découverte des transformateurs Hugo DESCOUBES Année 2010-2011

1. Introduction 2

… à la découverte des transformateurs 1. Introduction Un transformateur est un convertisseur d’énergie électrique. Son rôle est de convertir les valeurs des courants/tensions délivrés par une source en des valeurs différentes pour une charge. En sinusoïdal, la fréquence du signal est préservée, seules les amplitudes des grandeurs sont modifiées. Il s’agit donc d’une conversion ~/~ ou AC/AC : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux

… à la découverte des transformateurs 1. Introduction Les transformateurs possèdent un excellent rendement, >98% selon leur process de fabrication et la puissance de travail. Voici les deux principaux symboles électriques rencontrés : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Symbole modélisant le rapport de transformation ainsi que l’isolation galvanique Symbole modélisant des inductances couplées ainsi qu’une isolation galvanique avec utilisation d’un circuit magnétique

2. Transformateur Monophasé 5

… à la découverte des transformateurs 2. Transformateur monophasé Nous allons nous attarder sur l’étude du transformateur monophasé. Cette présentation sera principalement découpée en 4 parties : Technologie : architecture d’un transformateur monophasé, matériaux, fabrication … Electromagnétisme : rappels de base ! Modèle de l’Electrotechnicien : inductances magnétisante saturable et de fuites réparties Modèle de l’Electronicien : inductances propres des enroulements et mutuelle … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux

2. Transformateur monophasé - Technologie Prenons quelques exemples de transformateurs et d’applications : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Autotransformateur 500kV (les transformations 400kV/225kV se font systématiquement via autotransformateur) Transformateur sur Poteau 20kV/230V Transformateur 230V/12V-24V

2. Transformateur monophasé - Technologie Un transformateur effectue un transfert d’énergie électromagnétique direct (sans stockage). Nous parlerons de préférence d’inductances couplées lorsque nous chercherons à effectuer un stockage d’énergie (Flyback, Forward …): … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Structure simplifée sur papier (1 colonne + 1 jambe de retour) Puissance Absorbée Puissance Utile Secondaire Primaire

2. Transformateur monophasé - Technologie Un transformateur est essentiellement constitué d’enroulement assurant un transfert électromagnétique direct d’énergie entre primaire et secondaire. Le circuit magnétique permet de canaliser au mieux les lignes de champ (ou induction) : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Structure simplifée sur papier (1 colonne + 1 jambe de retour) Structure simplifée en réalité (1 colonne + 1 jambe de retour) Basse Tension dessous Haute Tension dessus (isolation)

2. Transformateur monophasé - Technologie Il existe différents types de structures pour les circuits magnétiques. Chaque forme amenant son lot d’avantages et d’inconvénients : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Structure simplifée en réalité - très rencontrée ! (1 colonne + 2 jambes de retour). Minimisation fuites Structure simplifée en réalité (minimisation fuites, plus coûteux)

… à la découverte des transformateurs 2. Transformateur monophasé - Technologie Quelque soit la forme du circuit magnétique, il est le plus souvent constitué de feuilles de tôles (minimisation des pertes par courants de Foucault) : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Circuit magnétique feuilleté BT HT

… à la découverte des transformateurs 2. Transformateur monophasé - Technologie Le choix des matériaux utilisés est également essentiel : FeSi (3% de silicium) : peu coûteux, forte perméabilité (bonne conduction magnétique) et forte résistivité (minimisation pertes par courants de Foucault) FeCo : coûteux, mais matériaux légers (aéronautique, aérospatiale …) FeNi : coûteux, mais perméabilité très élevée (militaire – exemple : minimisation rayonnement dans sous-marin …) … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux

2. Transformateur monophasé - Technologie Prenons l’exemple d’un transformateur triphasé : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Réservoir d’expansion Connexions haute tension Connexions basse tension Anneau de levage Circuit magnétique Refroidissement à l’huile (le plus souvent !) Enroulements (triphasé) Ailettes de refroidissement

… à la découverte des transformateurs 2. Transformateur monophasé - Technologie Le refroidissement de l’ensemble est le plus souvent réalisé via de l’huile en forte puissance. Des ailettes sont généralement ajoutées à la carcasse : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Ailettes Ventilateurs Pour les très fortes puissances, il peut être associé des ventilateurs. Pour la faible puissance, le refroidissement se fait par simple convection naturelle de l’air :

XXXX (2 ou 4 lettres) 2. Transformateur monophasé - Technologie Il est possible de connaitre les modes de refroidissement internes et externes en regardant la plaque signalétique d’un transformateur : XXXX (2 ou 4 lettres) … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Fluide de refroidissemnt interne en contact avec les enroulements O = huile minérale ou liquide isolant ≤ 300°C K = liquide isolant > 300°C L = non mesurable Mode de circulation du fluide interne N = naturel F = Forcé D = Forcé et dirigé Fluide de refroidissement externe A = air W = eau Mode de circulation du fluideexterne N = naturel F = Forcé (ventillateurs, pompes)

2. Transformateur monophasé - Technologie Prenons un exemple de la société France transfo, fabricant de transformateurs appartenant au groupe Schneider Electric : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Fluide et mode de refroidissement externe A = air N = naturel ONAN

2. Transformateur monophasé - Technologie Continuons l’analyse de la plaque signalétique : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Transformateur triphasé (???) Année de fabrication Fréquence nominale de travail N° de série Couplages et indice horaire - triphasé (???) Puissance apparente nominale Valeurs tensions nominales possibles au secondaire Masse du transformateur Tensions possibles côté haute tension en fonction des connexions sur le bornier Permet de retrouver expérimentalement l’impédance totale ramenée au secondaire (fuites magnétiques + pertes joules) Valeurs courants nominales possibles au secondaire

… à la découverte des transformateurs 2. Transformateur monophasé – Electromagnétisme L’un des théorème à la base de l’électrotechnique est le Théorème d’ Ampère : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux L’élément magnétique autour duquel est construit la théorie des machines et des transformateurs est le Solénoïde :

2. Transformateur monophasé – Electromagnétisme Découvrons l’influence d’un matériaux magnétique (ferromagnétique en Electrotechnique) : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux matériaux Excitation magnétique (A/m) Induction dans le matériaux (T) Induction dans le vide (T) Perméabilité du vide (4π.10-7 H/m) Perméabilité relative du matériaux Perméabilité relative du matériaux (fonction non-linéaire, ~10000 en MAX pour le fer) Susceptibilté Magnétique (faculté d’aimantation)

2. Transformateur monophasé – Electromagnétisme La perméabilité μ du matériaux est une fonction non-linéaire : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Induction ou Champ Magnétique dans le matériaux (# tension côté secondaire) Champ rémanent (aimantation ou induction rémanente sans excitation !) Cycle d’hystérésis d’un matériaux ferromagnétique (grains orientés) Excitation magnétique (# courant côté primaire) Champ coercitif (Excitation nécessaire à la désaimantation du matériaux !)

… à la découverte des transformateurs 2. Transformateur monophasé – Electromagnétisme Contrairement aux matériaux diamagnétiques (μr ≤ 1, cuivre , eau, or …) et paramagnétiques (μr ≥ 1, air, aluminium …), les matériaux ferromagnétiques (μr >> 1, fer, cobalt, nickel…) sont classés en deux grandes familles : Matériaux Durs : Machines à aimants Matériaux Doux : Transformateurs et Machines … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux

… à la découverte des transformateurs 2. Transformateur monophasé – Modèle Electrotech. Nous allons maintenant nous intéresser à la modélisation électrique des transformateurs monophasé. Nous sommes de nos jours habitués à l’utilisation de tels modèles et de leurs équations. Selon la culture et la sensibilité de l’utilisateur, nous pouvons retrouver deux grandes familles de modèles : Modèles de l’électrotechnicien : inductance magnétisante saturable (ou non) et inductances de fuites réparties au primaire et au secondaire. Modèles de l’électronicien : notion d’inductances propres des enroulements et de mutuelle (modèle très rencontré dans les simulateurs) … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux

… à la découverte des transformateurs 2. Transformateur monophasé – Modèle Electrotech. Découvrons le modèle de l’Electrotechnicien en partant du modèle parfait pour arriver au modèle réel en tenant compte des différentes imperfections structurelles d’un transformateur : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Rapport de transformation (rapport entre nombre de spires primaire et secondaire) Nous pouvons écrire : Secondaire Primaire Rapport de transformation et isolation galvanique (isolation électrique)

2. Transformateur monophasé – Modèle Electrotech. Un transformateur étant constitué de deux bobines enroulées autour d’un noyau magnétique, il semble normal que le premier élément de modélisation d’un transformateur soit une inductance (non saturable) pure jumelée au rapport de transformation : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Inductance Magnétisante (modélise le flux commun sans fuites dans le circuit magnétique)

2. Transformateur monophasé – Modèle Electrotech. Il faut maintenant modéliser les pertes amenées par la résistance électrique des enroulements. Ces pertes se nomment pertes Joule ou pertes cuivre: … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Pertes Joule souvent négligeables en forte puissance (Résistance faible car section des conducteurs grande) Nous pouvons écrire : Modèle en charge Modèle des pertes Joules au primaire (résistance des enroulements primaire) Modèle des pertes Joules au secondaire (résistance des enroulements secondaire)

2. Transformateur monophasé – Modèle Electrotech. Il faut maintenant modéliser les fuites magnétiques. Elles sont mises en série avec l’inductance magnétisante car elles modélisent des échanges de flux non utile (non transmis au secondaire): … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux ne pas confondre pertes et fuites ! Pertes = Energie consommée non utile au transfert d’énergie (chaleur) ! Fuites = Energie échangée ! Modèle en charge Modèle des fuites au primaire Modèle des fuites au secondaire

2. Transformateur monophasé – Modèle Electrotech. A quels phénomènes correspondent les fuites magnétiques : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Fonctionnement en charge sans fuites Fonctionnement en charge avec fuites Voici quelques solutions permettant d’atténuer les fuites magnétiques :

2. Transformateur monophasé – Modèle Electrotech. Il reste maintenant à modéliser les dernières pertes rencontrés dans un transformateur, les pertes fer ou pertes magnétiques. Ces pertes se situent physiquement dans le circuit magnétique, elles sont donc représentés par une résistance en parallèle de l’inductance magnétisante : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Il en existe principalement deux types : Pertes par courants de Foucaut Pertes par hystérésis Pertes fer (vrai qu’à fréquence constante !)

… à la découverte des transformateurs 2. Transformateur monophasé – Modèle Electrotech. Les pertes par courants de Foucault sont liées aux variations d’induction magnétique dans le circuit : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux

… à la découverte des transformateurs 2. Transformateur monophasé – Modèle Electrotech. Les pertes par courants de Foucault sont liées aux variations d’induction magnétique dans le circuit magnétique : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Solutions : Matériaux à fortes résistivité (ex : FeSi 3%) Circuit magnétique feuilleté avec isolation électrique entre chaque tôle (vernis en général)

2. Transformateur monophasé – Modèle Electrotech. Les pertes par hystérésis sont liées à la nature du milieu utilisé pour canaliser les lignes de champ : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Induction ou champ Magnétique dans le matériaux (# tension côté secondaire) Cycle d’hystérésis d’un matériaux ferromagnétique (grains orientés) Champ rémanent (aimantation rémanente) Excitation magnétique (# courant côté primaire) Champ coercitif (champ nécessaire à la désaimantation)

2. Transformateur monophasé – Modèle Electrotech. Les pertes par hystérésis correspondent à l’énergie dépensée afin de parcourir le cycle : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Cycle d’hystérésis d’un matériaux ferromagnétique (grains orientés) La surface intérieure du cycle correspond aux pertes par Hystérésis

2. Transformateur monophasé – Modèle Electrotech. Le modèle couramment utilisé par l’électrotechnicien est celui-ci. Il existe d’autres variantes de ce schéma (fuites totalisées au secondaire et au primaire …) : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Pertes Joule ou cuivre Fuites magnétiques Pertes fer ou magnétique Transformateur parfait Inductance magnétisante

… à la découverte des transformateurs 2. Transformateur monophasé – Modèle Electrotech. Le modèle couramment utilisé par l’électrotechnicien est celui-ci. Il existe d’autres variantes de ce schéma (fuites totalisées au secondaire et au primaire …) : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Pabs Pu Pf1 Pf2 Pj1 Pfer Pf2

… à la découverte des transformateurs 2. Transformateur monophasé – Modèle Electronique Ce modèle est de préférence utilisé par l’électronicien ainsi que par les simulateurs de circuits. Les inductances propres modélisent le flux propre brassé par enroulement ainsi que les fuites associées (sans pertes Fer). Les couplages magnétiques entre enroulements primaires et secondaires sont modélisés par l’inductance mutuelle : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Pertes Joule Inductance mutuelle Inductances propres (flux commun + fuites)

… à la découverte des transformateurs 2. Transformateur monophasé – Modèle Electronique Nous pouvons écrire : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé Technologie Electromagnétisme Modèle Electrotech. Modèle Electronique 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Avec :

3. Transformateur Triphasé 37

… à la découverte des transformateurs 3. Transformateur triphasé Cette partie sur les transformateurs triphasés sera relativement succincte faute de temps. Les circuits magnétiques les plus rencontrés sont ceux à 3 colonnes à flux forcé (le choix du circuit n’est utile qu’en régime déséquilibré !) : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé 3. Transfo. Triphasé Couplages Indice horaire Mise en parallèle 4. Transfo. Spéciaux

… à la découverte des transformateurs 3. Transformateur triphasé – Couplages Le couplage correspond à la technique utilisée pour connecter les enroulements entre eux (côté primaire et secondaire) : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé 3. Transfo. Triphasé Couplages Indice horaire Mise en parallèle 4. Transfo. Spéciaux Il existe 6 couplages, ‘’Y ou D’’ côté haute tension et ‘’y ou d ou z’’ côté basse tension. Si le neutre est sorti pour les couplages étoile ou zig-zag, on rajoute N ou n : YNd Dyn …

… à la découverte des transformateurs 3. Transformateur triphasé – Couplages Comment choisir le bon couplage : Besoins en tensions différents des tensions disponibles (élévation/abaissement du niveau de tension) nécessité d’avoir un neutre, typiquement au secondaire. Par exemple, reconstruction de 3 systèmes monophasés sur les réseaux de distribution (déséquilibre souvent fort entre chaque phase) Couplages différents primaire/secondaire évite une répercussion totale de déséquilibre … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé 3. Transfo. Triphasé Couplages Indice horaire Mise en parallèle 4. Transfo. Spéciaux

… à la découverte des transformateurs (-30° entre les deux systèmes) 3. Transformateur triphasé – Indice Horaire L’indice horaire définit le déphasage de tensions entre les systèmes côté primaire et secondaire. L’indice horaire est donné en pas de 30°. Prenons un exemple : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé 3. Transfo. Triphasé Couplages Indice horaire Mise en parallèle 4. Transfo. Spéciaux Dyn11 (-30° entre les deux systèmes)

… à la découverte des transformateurs 3. Transformateur triphasé – Indice Horaire Quand le choix de l’indice horaire intervient-il : Si nous sommes en régimes déséquilibrés Mise en parallèle de transformateurs Les couplages les plus rencontrés : Yyn0, Yyn6, Yzn5, Yzn11, Dyn5, Dyn11 … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé 3. Transfo. Triphasé Couplages Indice horaire Mise en parallèle 4. Transfo. Spéciaux

… à la découverte des transformateurs 3. Transformateur triphasé – Mise en parallèle Pour la mise en parallèle de transformateurs, les choix des couplages et des indices horaires sont essentiels. La mise en parallèle de transformateurs est couramment rencontrée dans les cas suivants : Réseaux maillés ou bouclés (réseaux de transport et de répartition) Croissance de la demande en fonction de la demande (été vs hivers vs matin vs soir …) Systèmes redondants (doublement des ressources pour des raison de sureté) … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé 3. Transfo. Triphasé Couplages Indice horaire Mise en parallèle 4. Transfo. Spéciaux

4. Transformateurs Spéciaux 44

… à la découverte des transformateurs Autotransformateur 500kV 4. Transformateurs spéciaux – Autotransformateur L’autotransformateur est un transformateur assurant une conversion de tensions AC/AC mais n’offrant pas d’isolation Galvanique. Ils sont notamment utilisés en très hautes tensions : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Autotransformateur Transfo. courant Autotransformateur 500kV En France, les transformations 400kV/225kV se font systématiquement via autotransformateur

… à la découverte des transformateurs 4. Transformateurs spéciaux – Autotransformateur Les autotransformateurs sont principalement utilisés avec des rapport de transformation peux élevés (dimensionnement conducteurs). Ils offrent quelques avantages et inconvénients par rapport aux transformateur : pas d’isolation galvanique (isolation électrique primaire/secondaire et saturation naturelle du matériaux) Meilleur rendement, >99% (à puissance et volume de fer identique). Essentiel en très forte puissance ! Encombrement réduit … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Autotransformateur Transfo. courant

… à la découverte des transformateurs 4. Transformateurs spéciaux – Transfo. de courant Les transformateurs de courant (TC ou TI) sont des transformateurs de mesure effectuant une conversion courant/courant. Ils sont très utilisés en électronique ainsi qu’en électrotechnique. Prenons quelques exemples : … à la découverte des transformateurs 1. Introduction 2. Transfo. Monophasé 3. Transfo. Triphasé 4. Transfo. Spéciaux Autotransformateur Transfo. courant Transformateur de courant 138kV Directindustry.fr

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